如果你找不到人生意义，那就去探索火星吧 | 人类火星探索之旅

前言：之前，我在 《永恒的折腾》 里思考过，人的一生是有限的，发挥自己最大的价值才是最有效的活法。 带着这股思想，我最近集中地在思考，查阅，很多与延长生命价值的内容与书籍，甚至影音资料。 而最近，我看到了一个关于“机器人探索火星15年”的故事，我被这个故事的精神与人触动，特此分享。 本文由整理网络资料而成。 故事的起源，美国的火星探索之旅。 美国从二战后的几十年，一直在探索外太空，这一点在我没有深入阅读太空史，我是感受不到其伟大的，直到这几年，我国天问号，各种科技实力追上来之后，我反过头去看美国的外太空历史，我才发现美国人的探索精神，其实很值得学习。 从1961年到1972年，美国通过阿波罗任务实现了六次登月，阿波罗任务也被誉为世界航天史上具有划时代意义的项目。 对于全体人类而言，成功登月也让我们成为全新的“跨星球”物种。 而很快，美国在成功登陆月球之后，就开始把目标放在了火星。 然而，火星探索明显是比月球探索更加艰难的任务。 这一点，可以从当时的苏联VS美国的战绩来了解。 从美国航天局NASA统计的人类火星任务列表来看，美国苏联是探索火星最多的国家，而美国也是成功次数最多的国家，但也是失败次数很多的国家。 美国于2001年成功发射了“火星奥德赛”探测器，首次发现火星地表下面存在水冰，这预示着火星上存在生命的可能性。 “火星奥德赛”至今仍在进行科学探测并为火星上的着陆任务提供通讯中继，是目前火星探测器里“服役期”最长的一个。 2003年，美国第二代“双胞胎”火星车“勇气”号和“机遇”号相继成功发射。 与第一代火星车相比，第二代火星车性能大大增强，实现了对火星较大范围的移动勘测。 “勇气”号和“机遇”号发现了火星上曾经存在水的证据，也让科学家们获取了对火星历史上水文活动的详细资料。 而也是这段探索故事吸引了我，我特别去了解了下这次火星寻水之旅的来龙去脉。 第一幕：任务艰巨，临危受命 火星是整个太阳系中除地球外最适合开发的星球，人类也早在上世纪60年代便开始探测，但早期探测的失败率很高，苏联甚至直到解体都未取得真正意义上的一次成功。 在经历上世纪60-70年代冷战时期的疯狂后，人类火星探测戛然而止，直到上世纪90年代才重新开始。 但是很不幸，美国开局的火星观察者号（1992年）失败，俄罗斯开局的火星96号（1996年）也在升空后失败。 直到1996年，美国的全球勘探者号才迎来成功，与它一起前往的还有探路者号着陆器/旅居者号火星车，小小的旅居者号也在1997年成为人类第一辆成功着陆的火星车。 相比较只能定点着陆的着陆器，火星车有个巨大的优势：能够移动，这一条就足以说明它们的价值。 但它实在太小，仅为10多千克而已，携带的仪器自然不可能拥有复杂功能，仅仅工作了几十天就宣告任务结束。 人类迫切需要一个全面、复杂、多功能的火星车登陆火星。 在这种需求下，NASA的火星探测计划就正式立项了火星探测漫游者（Mars Exploration Rover，MER）项目，它包括两个重量为185千克的火星车，MER-A和MER-B，二者完全相同且互为备份。 但没想到，1999年美国两个抵达火星的任务再次面对浩劫：大气勘探者号轨道器直接焚毁在火星大气中，极地登陆者号则在距离地表仅40米处坠毁。 在这种情况下，这两辆火星车完成任务的压力可想而知，失败的代价使人类火星探测再次陷入低谷。 第二幕：鼓足勇气，抓住机遇 幸运的是，2001年发射的火星奥德赛号轨道器取得巨大成功，它可以为地面功率较低的火星车提供信号转发，这意味着两辆火星车任务可以在2003年顺利踏上旅程。 因此， 这两辆火星车双胞胎兄弟被最终命名为勇气号（MER-A）和机遇号（MER-B）。 而事实上它们还有两个“堂兄弟”留在地球上用来测试，其中一个和它们的科学仪器、结构、重量几乎一模一样，用来测试各个仪器工作情况；另一个则轻一些、几乎不携带仪器，仅用来模拟火星重力下重量对机体结构的影响。 两个探测器分别在2003年6月10日和7月7日乘坐巨大的三角洲2火箭顺利升空，它们采用了一条长达200余天的漫长霍曼转移轨道前往火星，并在次年1月份先后抵达。 第三幕：死亡七分钟和气囊弹跳 火星降落从不是一件容易的事情。 火星引力低于地球，存在稀薄大气，但可以像着陆地球一样，使用空气阻力摩擦和进一步降落伞结合的方式减速。 由于速度较快，摩擦能产生巨大的热量会不断在探测器表面积累，达到惊人的2100摄氏度（好奇号火星车降落过程）。 但是，火星大气也过于稀薄，仅有地球1%不到，它的减速作用有限，所以不可能像地球一样使用降落伞即可完成最终减速。 此外，火星距离地球最近也在5000万千米级别，这已经意味着将近6分钟的往返通讯延迟，实际还要考虑二者自转造成的遮挡，实际时间远大于此。 整个登陆过程不可能由地球上人工控制和监测完成， 从探测器开始进入火星大气边缘，到最终火星着陆，只有7分钟左右时间，必须靠自己。 虽然着陆时间短暂，全程却有上千个操作要独立进行，任何一个环节出问题都会导致功亏一篑。 例如2016年10月19日，欧空局斯基亚帕雷利号着陆器在执行任务时最后一刻失败，直接撞向火星表面粉身碎骨。 否则它的着陆地点亦是机遇号火星车所在的子午线高原，如果成功它们将成为并肩战斗的伙伴。 只是结果无比遗憾！ 在进行大气减速、降落伞减速后，探测器降落装置必须利用反推火箭工作。 但自带反推火箭会导致探测器底部被巨大的燃料箱、发动机、传感器等占据，一旦降落后就会成为死重，非常不适合应该自由移动的火星车执行任务。 最后勇气号和机遇号的选择方案是气囊弹跳方式 ： 降落伞脱离后，依然采取火箭反推方案进行减速和悬停确定着陆地点。 不过此时着陆器又分成两个部分，一部分携带有反冲火箭和燃料罐，另一部分则将火星车折叠后牢牢包裹在巨大的气囊中。 着陆器确定好着陆区域后，会将气囊弹出并用绳索牢牢吊住，稳步下降命令下达后绳索断裂。 气囊在距离火星地表数米处释放，随后在地面经过多次弹跳后稳定下来。 巨大气囊内部往往有平衡设备，能保证气囊停止后折叠的火星车跟地面保持正确的姿态，随后气囊打开，火星车缓缓展开并驶出，这个技术在探路者号任务时已经成功验证。 第四幕：龟速移动的火星“车” 为了成为一个可以移动的车，勇气号和机遇号必须装载额外的动力、成像和导航系统，这在定点着陆的任务中是基本不存在的。 两个探测器动力都来自两块背上的太阳能电池板 ，它们采用了当时地球上最为先进的多结太阳能光伏电池、可以吸收并利用太阳多个光谱中的能量，但由于火星表面太阳能远不如地球丰富且大气中布满沙尘，在最好的状态下太阳能仅能提供每天900瓦特小时的能量，不到一度电，平均下来工作效率普遍在半度电水平。 而当火星爆发全球性沙尘暴时，漫天的黄沙会急剧减弱太阳光照且附着在太阳能电池板表面，使得一天的产能仅仅为100瓦特小时的能量，火星车必须进入休眠状态。 即便是天气最好、高峰时的900瓦特小时，这些能量仅能让地球上的普通热水器工作半个小时，只能维持一个40瓦的老式灯泡亮一天。 为了充分利用能量、尤其是避免夜晚时没有能量来源，在火星车上还背了两个7千克重的锂电池以储能。 考虑到这两个火星车是个高1.5米、宽2.3米、长1.6米、有6个轮子的庞然大物，还要完成复杂的通讯、导航、科研、数据分析处理功能，这点电力就很有限了。 这跟大家想象的火星车在火星表面驰骋的场景完全不同，事实上两辆火星车的运动速度是以厘米/秒来计算，它们俩的“飙车”极限速度仅有5厘米/秒，而平均运动速度仅有1厘米/秒。 根据它的自我防护系统，它还要每开10秒就停下来20秒检查地形、避免风险。 所以实际上火星车开的效果是：花了10秒钟，往前爬了大概一个人类手掌的长度，然后停下来喘息20秒钟，再继续努力往前爬。 第五幕：价值连城的“超级名车” 火星车还必须携带有大量图像拍照系统以辅助导航和自我轨迹判断，毕竟火星上可没有人帮它们指路，必须自给自足完成。 因此， 它们都携带了一个全景相机、导航相机安装在1.5米高的头部，身上还需要携带四个避险相机拍摄前后左右以避免危险， 可谓是标准的“畏首畏尾”。 没有办法，毕竟这是个极其精密、造价高达4亿美元的一辆车，经过大致计算，平均下来大概每克的价值就接近人民币，这可比一辆用纯黄金（金价大约一克300人民币）做的车贵太多了。 不仅如此，它小小的能量依然要支持与地球的通讯，但显然这个能量太弱了，远远不够直接把信号发回地球。 因此 它们的选择方式是依赖其他“前辈”帮忙转发和传递信号：美国的奥德赛号、全球勘探者号、MAVEN、侦察轨道器等都相继为它们提供过数据传输服务。 在解决了动力、导航、通讯等核心问题后，终于到了最重要的方面：科研！ 虽然能量有限，两辆火星车依然携带了非常先进且高度集成化的科研仪器，它们基本都安装在火星车前部伸出的机械“手臂”上面。 这也是无奈之举，因为整个背上几乎都是太阳能电池板，底部又全部是动力系统和结构系统。 在手臂上，既有穆斯堡尔谱仪、阿尔法粒子X射线光谱仪、磁体仪这种能够详细解读岩石和土壤中化学成分的仪器，也有热辐射光谱仪（装于头部）和显微成像仪这种能从远处和微观的近处观察土壤结构图像的设备。 当然，为了辅助这些仪器得到研究的样本，还需要一个研磨工具，将岩石粉碎。 在使用仪器时，火星车需要停下来，将大部分能量集中在机械臂上，机械臂把带有仪器们的前端缓缓抬到要研究的地方放下，仪器才可以开始工作。 第六幕：火星探测，使命必达 按照计划， 勇气号着陆在古瑟夫陨石撞击坑（Gusev Crater） ，这个170千米宽的超级撞击坑可能隐藏着火星土壤的深层秘密； 机遇号着陆在子午线高原（Meridiani Planum） ，这里曾经被发现存在大量的结晶赤铁矿，这意味着在远古时代这里极有可能是火星巨大的海洋/湖泊所在地。 两个小家伙抵达火星后果然不负众望，为我们带来了海量科研成果，大大补充了“前辈”维京一号/二号、探路者号/旅居者号任务的研究成果。 它们进一步分析了火星土壤成分，相比较地球土壤中基本50%是水和空气、5%是有机物、45%是矿物质和金属而言，火星土壤中仅仅有2%的水和空气，而余下的98%都是矿物质和金属。 此外，在火星土壤中还首次发现了镍和锌元素，这二者理应来自火星深层内核，这个发现意味着火星表面的土壤可能源自火山喷发而来，也就是火星亿万年前剧烈地质活动时期的产物。 勇气号曾经在一块火星岩石上进行过“深层次”研究，它钻出了一个4.5厘米直径、0.5厘米深的洞，几乎是一个婴儿的手掌般。 看似人类可以轻松做到，但对勇气号而言已经着实不易：这是它一动不动钻探了两个小时的结果。 经过分析这块石头的基本结构，科学家们发现只有可能水的参与才会形成这些微型纹理和孔洞。 它的“兄弟”机遇号则详细研究了大量类似地球上的玄武岩、表面覆盖了多层不同物质，它还去了一个富含粘土的山丘，以及一个远古湖泊的底部，那里发现了包括赤铁矿（一种铁锈）在内的含水矿物质，它甚至在撞击坑底部观测到了水流淌过后的痕迹，这意味着也许今天火星地下依然可能存在液态水。 机遇号也比较幸运遇到了一个来自太空的礼物：它找到了一颗铁镍构成的陨石，也是人类首次在外星球找到陨石。 这些都印证了火星在远古时期拥有温暖潮湿的环境。 不过，它们经过研究化学成分后推出结论：火星曾经的海洋和湖泊并不像地球上的水体一样温和，而是绝大部分水体呈现强酸性，并不适合绝大部分地球生命生存。 它们的研究远超于此，不过限于篇幅没法全部展开了。 第七幕：我们征服太空，不是因为它简单，而是因为它很难 在勇气号和机遇号出发前往火星前，2001年9月11日，美国遭遇了历史上最严重的恐怖袭击，纽约标志性的两座世贸大厦轰然倒塌。 这次袭击造成近3000人殒命，且相当一部分是参与救援的消防员们，给美国造成了巨大的损失，事后全世界陷入了哀悼的气氛之中，这两个探测器也不例外。 但正如它们的名字，代表了人类要越挫越勇的心情，在事后的遗迹清理过程中， 科学家们利用找到的金属材料制作了一个特殊的线缆保护罩，它用来保护岩石粉碎工具。 此外，它们的着陆地点也成为了纪念碑。 其中，勇气号的着陆地被叫做“哥伦比亚纪念碑”，这是为了纪念2003年2月1日哥伦比亚号航天飞机返回期间解体的灾难；相应地，机遇号的着陆地被叫做“挑战者纪念碑”，为了纪念1986年1月28日挑战者号航天飞机在起飞期间解体的灾难。 在这两个载入人类史册的航天灾难中，各自有7名宇航员殒命，成为历史之最。 正如肯尼迪总统的名言：“我们选择登陆月球，不是因为它简单，而是因为它很难”。 两辆火星车，也肩负着人类的伟大使命。 第八幕：老兵不死，创造奇迹 这两辆火星车的原计划工作时间都是90天左右，科学家们认为90天之后火星空气中的沙尘就会覆盖满太阳能电池板，导致能量过低而无法继续工作。 但没想到的是，火星上剧烈的沙尘暴和大风天气却帮了忙，风吹去了盖在太阳能电池板表面的尘土，让它重新暴露在太阳光的照射之中而获得新生。 虽然在2007年火星巨大的沙尘暴中、99%的阳光被沙尘遮蔽了数月而导致这两个兄弟险些任务失败，但它们通过休眠方式在比地球风速快10倍以上的恶劣环境中最终幸存下来，赢得新生。 在这种情况下，勇气号一直坚持工作到2011年3月22日才宣告任务结束，此前它已经经历了轮子故障不能转动、且在2009年时就陷到软土中根本无法动弹，但它依然在那个坑里坚持工作了两年之久直到失联，那里成了它最终的墓地。 而机遇号情况好很多，它曾经也陷进过一片碎石沙地中，不过后来依靠地球上两个“堂兄弟”的各种模拟才最终花了一个半月时间逃离，那一小块地区也因此被重新命名为“地狱沙丘”。 从此之后它更加小心，一直工作到2018年年中。 但后期的机遇号也在慢慢老去，每天的机上计算机会不断重启，工作一段时间就会自动清空数据存储，它犹如沉沉暮年的老人一样患上了“痴呆症”和“失忆症”，让人惋惜又深感无奈。 勇气号和机遇号虽然移动速度极慢，但超长服役的结果却使它们成为了最优秀的火星车。 勇气号共计工作了2269天，机遇号工作了5000多天。 机遇号以平均1厘米/秒速度运动创造了在太空中最远行驶里程的记录，它已经在火星表面行进了45千米以上，早已超过前苏联在1973年发射的月球车二号（Lunokhod 2）在月球表面创造出的39千米的记录。 机遇号就好比是龟兔赛跑里的乌龟，虽然慢但一直坚持到了最后的胜利。 不过悲剧的是，2018年火星又出现了席卷全球的巨大沙尘暴，机遇号由于能源问题再次陷入沉睡。 年底沙尘暴消退后，NASA尝试了800多次联系都未能将其唤醒，最后只得宣布放弃。 我们目前已经永远失去了这两个火星车。 第九幕：华丽终章，亦是开始 勇气号和机遇号虽然任务已经结束，但它们的华丽终章并未结束。 它们的巨大成功再次掀起人类火星探测的高潮，在此之后有一系列探测器抵达火星并长期工作。 2003年6月，欧洲火星快车轨道器和小猎犬二号着陆器抵达，轨道器至今仍在工作； 2006年3月，美国火星侦察轨道器抵达，至今仍在工作； 2008年5月，美国凤凰号着陆器抵达； 2012年8月，美国好奇号火星车抵达，至今仍在工作； 2014年9月，美国MAVEN大气专家轨道器抵达，至今仍在工作； 2014年9月，印度曼加里安轨道器抵达，至今仍在工作； 2016年10月，欧洲ExoMars轨道器和斯基亚帕雷利着陆器抵达，轨道器至今仍在工作； 2018年11月，美国洞察号着陆器抵达，至今仍在工作； “核动力”的好奇号火星车，几乎是勇气号/机遇号的5倍大，各方面能力全面升级（图源：NASA） 未来的2020年，中国、美国、俄罗斯/欧盟等，都将有新一轮火星探测任务前往火星，火星将迎来最为繁忙的一段时间。 毫无疑问，它们的研究成果，将会大大超越勇气号和机遇号。 火星探索之后续，未来的人类获将彻底征服火星 2004 年 1 月，美国当时的总统布什提出了 “新太空计划”: 2020 年前重返月球并建立永久性基地，同时派宇航员登陆火星 ，但他并未公布具体的登陆日期。 2017 年，特朗 普签署 “1 号太空政策指令”，宣布包括重返月球、登陆火星和深入探索太阳系在内的宏大计划。 为此，美国重新组建了国家太空委员会，副总统彭斯出任主席。 特朗 普也多次在推特上表示，NASA 应直接开展载人探索火星行动，并在未来几个月公布相关计划。 同年，在印度南部城市海得拉巴举行的第 58 届国际宇航联合会大会上，美国宇航局前局长迈克尔 · 格里芬声称准备在 2037 年把人类送上火星。 但在美国航天局 2020 财年预算请求听证会上，NASA 现任局长吉姆 · 布里登斯廷确认，美国计划在 2033 年将宇航员送上火星，并在火星上生存 2 年。 对于探索火星，想争第一的可并非只有美国宇航局 。 SpaceX、波音等各大航天企业也在私底下进行着较量。 波音公司负责人丹尼斯 · 米伦堡曾在接受采访时非常明确地表示：“第一个踏上火星的人将乘坐波音飞机飞往那里。 ” 丹尼斯 · 米伦堡的声明遭到竞争对手 SpaceX 的埃隆 · 马斯克的讽刺。 他声称，“波音将在火星登陆竞赛中击败 SpaceX”的评论听起来就像是波音自己在说给自己听，这是在自欺欺人。 当然，对于埃隆 · 马斯克而言，他的梦想可不仅仅是把人类送上火星，他甚至还想改造火星大气，把火星改造成为一颗适宜人类居住的星球。 马斯克最初是在一档电视节目期间表示，想通过核弹对火星进行加热。 而且他并没有开玩笑，2019 年他还在推特上详细公布了这一计划。 马斯克还扬言将建造 1000 艘星际飞船用于火星旅行。 虽然马斯克对火星计划充满了期待和信心，但是他曾承认自己可能无法亲自实现火星计划，原因是技术的发展有点差强人意。 马斯克曾多次呼吁加速技术研发，他甚至宣称，如果技术成熟的话，他有七成概率会亲自登陆火星。 从目前来看，如果不是嘴上说说的话，马斯克的梦想很有可能实现。 可以肯定的是，当 NASA 以火星为目标时，美国的各大私人航天企业并不会把目标仅仅局限于月球，火星竞赛已成必然。 早在 2003 年，为了给载人火星飞行做初步考察准备，美国宇航局、欧洲航天局和法国太空局的科学家们在南极洲进行多种 “人类适应太空”实验。 这是因为往返火星需要长达 2 年的时间。 长时间的与世隔绝、孤独和无助可能冲破宇航员的心理防线，导致他们精神错乱。 为此，美国宇航局专门打造了 HI-SEAS 火星模拟基地。 因为专家们认为，如果想真正了解宇航员可能遭遇的心理挑战，唯一的方式就是让他们置身与火星类似的极端环境。 经历过模拟测试的人员都深深体验到了宇航员的孤独与寂寞。 在美国宇航局的计划中，并未打算从地球直飞火星，而是以月球基地或者空间站为中继站。 当然，这两者都还在准备当中。 美国人尚未完成重返月球的目标，因此月球基地也只能是未来的一个梦想。 但以月球基地为中继站的想法是深得人心的，因为月球极地存储的水冰完全能够制造未来的火箭燃料。 美国宇航局在 2017 年提出，计划在月球轨道建立一个永久性基地，也就是深空网关。 它将作为未来太空探索的训练场地和技术实验场地，旨在为人类登陆火星或其它星球做准备。 这个基地就像一个机场，飞往月球表面或火星的飞船可以在此加油、更换零件或者补充补给。 强大的运载火箭是人类前往月球乃至火星的基础，运载火箭是人类摆脱地球引力前往火星的基础，它也是整个人类航天最为重要的基础，它的能力往往决定一个航天企业以及一个国家航天探索能力的上限。 2015 年，美国航空航天局倾力设计的太空发射系统 SLS 通过了专家审议，意味着人类历史上最庞大、最强大的火箭终于迈出了关键的一步。 SLS 系统是美国航天飞机衍生出来的重型运载火箭。 它是美国宇航局的 “深空探测计划”的一部分，未来将肩负载人火星和载人月球任务。 SLS 火箭类似于战神 IV 火箭，但其总推力比将超过此前最大的土星五号，它也将成为美国最强大的运载火箭。 2017 年，美国宇航局公布全新一代火星车 “火星 2020”，也就是现在的毅力号火星探测车。 不久的将来，这台拥有 23 只 “眼睛”的火星车，将执行火星的全景观测任务。 这 23 个相机中，包括 7 个科学相机以及 7 个降落着陆用的辅助相机，以及 9 个工程相机，它们能够帮助火星车避免火星上的障碍物。 从战略意义上来说，美国是想要通过探索火星，扩大并牢牢占据太空探索的领导地位。 目前，太空探索领域已经并非美国一家独大，包含中国在内的各个国家已经崛起并开始挑战美国的领导地位。 如果说科技是我们全人类的能力边界，那么探索太空，了解宇宙，就是全人类的思想边界。 最近太多关键字聚焦所谓的元宇宙，但是我被华大基因尹烨的一句话触动，他面对人们对元宇宙的热情只说了一句话，“我更关心真宇宙”。 因为所谓的元宇宙再怎么天花乱坠，它都是基于现实世界来创造的，无论你是吧爱因斯坦做成AI跟你对话，还是你把自己复制成8个分身，你都需要足够的知识储备和技术来实现它。 而这些算法，科技，数学的知识，都是现实物理生物世界里你学会的，元宇宙的边界远比真实宇宙的边界小太多...人类三大起源问题，将是我们人类永恒探索之谜题：宇宙起源，生命起源，意识起源。 而探索宇宙，了解自身，其实都是我们探究这伟大课题的重要方向。